《Journal of Hazardous Materials》：Assessing and Projecting the Potential Cumulative Risks of Heavy Metal Dispersion (PCR-HMD) from Lead-Zinc Mines in China: Impacts of Soil Water Erosion and Climate Change
沈志成|冯瑶|杨丽颖|徐静文|孙在金|罗贤平|史华登
中国生态环境部土壤、农业与农村生态与环境技术中心，北京，100012
摘要
铅锌矿区的重金属污染是一个严峻的挑战；然而，气候变化下的大规模迁移风险仍是一个关键的知识空白。本研究采用“源-路径-汇”理论，建立了一个模型来评估中国铅锌矿区重金属扩散的潜在累积风险（PCR-HMD）。分析重点关注了在不同未来情景下以及不同流域中，农田和水体的污染风险，并具体量化了极端降水的影响。结果表明，海河流域（HR）、长江流域（YZR）和西南流域（SW）是风险防控的重点区域。极端降水，尤其是超过第95百分位的强降雨，对重金属迁移风险有显著贡献，且这种贡献预计在未来情景下会增加。气候变化对不同环境介质的风险影响差异很大。在SSP2-4.5情景下，农田的风险最高；而在SSP5-8.5情景下，水体的风险更大。本研究强调，未来的矿区环境管理必须充分考虑极端气候事件的影响，并将气候变化预测纳入风险防控体系。
引言
控制矿区重金属污染是全球共识，其中铅锌矿区附近的农田和水体污染尤为普遍和严重[1]、[2]。重金属污染物在铅锌矿区的暴露表面上会大量积累。这些污染物通过地表径流和水力侵蚀从矿区表面传输到敏感受体（包括农田土壤和水体）[3]，从而成为周边环境金属污染的重要途径[4]。这一机制通过下游河流沉积物中升高的金属浓度[5]、水稻土壤[6]以及径流驱动的污染物负荷量化[7]、[8]得到了实证验证。一项针对受采矿影响流域的研究表明，在降雨条件下，颗粒态污染物占矿区总重金属传输量的97%至99%[4]。气候变化导致的极端天气事件（如强降雨和洪水）频率增加，加剧了矿区重金属扩散的风险[9]、[10]。铅和锌是重要的工业原料，随着全球工业的进一步发展，对它们的需求预计将持续增长。因此，研究气候变化下铅锌矿区重金属扩散的累积风险对于可持续的经济和环境发展至关重要[11]。
关于铅锌矿区周围的重金属，已经进行了大量研究，包括污染源识别[12]、环境风险[13]、[14]、人类健康风险[15]，以及土壤和水生沉积物中重金属修复的关键技术和机制[16]。这些研究主要关注铅锌矿区周围敏感受体（尤其是受污染的土壤和水体）的重金属风险。随着研究的深入，近年来在流域或区域尺度上研究重金属迁移过程已成为研究热点[17]、[18]。该领域的研究人员旨在揭示在人为和自然条件下，污染物如何进入水体和农田的关键机制，并构建迁移过程模型，从而为重金属污染的源头控制提供科学依据和决策支持工具[8]、[19]。然而，大多数研究仅针对小型或单个矿区进行。目前缺乏关于气候变化情景下铅锌矿区重金属扩散累积风险的大规模评估，对长期累积风险和极端降水贡献的理解也不充分，这限制了它们在宏观层面支持污染防控策略的能力[15]。
中国是全球主要的铅和锌生产国，产量约占全球总量的50%[20]。根据中国农业用地的全国土壤污染调查，铅锌矿区周围的土壤中重金属污染（尤其是镉）尤为严重[21]、[22]。近年来，矿区极端降雨和山洪暴发的频率增加，迫切需要开展关于气候变化影响下铅锌矿区重金属环境风险的大规模研究。
基于“源-路径-汇”理论，本研究开发了一个模型，用于评估降雨侵蚀条件下铅锌矿区重金属扩散的潜在累积风险。该模型整合了污染源强度（矿区空间范围和活动持续时间）、路径特征（土壤水力强度）和汇的敏感性，以量化风险传播。本研究的主要目标是：（1）绘制IPCC SSP情景下农田和水体的累积污染风险图；（2）量化极端降水对累积风险的贡献；（3）制定具有气候适应性的管理策略。
数据处理的详细步骤
基于中国铅锌矿区位置的数据集[23]和全球采矿区域的数据集[24]，本研究构建了中国铅锌矿区的综合地图。首先，设置了1公里的缓冲区以考虑源矿区边界数据的位置不确定性[25]。随后，通过空间匹配选择了位于这些缓冲区内的采矿区域。最终，这些采矿区域构成了本研究的最终数据集。
中国铅锌矿区重金属污染的来源、路径和汇的空间分布
图1a显示，长江流域（YR）、长江中游流域（YZR）和西南流域（SW）的铅锌矿区面积最大。长江流域的铅锌开采历史较长，平均运营时间为18.5年（图1b）。由于敏感受体的存在，长江中游流域的环境问题更为突出。长江中游流域周围的农田面积最大，占全国总量的42.5%（图1c）。相比之下，东南流域（SE）的此类面积最小，仅占0.82%。
PCR-HMD形成机制
中国的铅锌开采活动及其相关环境风险表现出空间异质性。研究结果表明，长江流域占中国铅锌矿区总面积的40%，远超其他流域。这种格局受到矿产资源禀赋和工业发展历史轨迹的强烈影响[2]、[16]。此外，研究结果还表明，高采矿强度的城市主要集中在流域附近。
结论
本研究建立了PCR-HMD框架，用于量化中国九大河流流域铅锌矿区在降雨侵蚀-气候耦合条件下的重金属扩散风险。主要发现如下：
- (1)
海河流域（HR）、长江中游流域（YZR）和西南流域（SW）被确定为高风险区域。它们的风险驱动因素存在显著差异：长江中游流域的风险主要源于高度敏感的受体，而西南流域的风险则源于源-路径-汇各组成部分的强烈耦合。这需要采取针对性的风险控制措施
环境意义：
研究表明，中国铅锌矿区超过一半的重金属扩散风险是由极端降水引起的，且这种贡献预计会继续增加。目前基于历史气候数据的环境管理标准因此显得不足。我们的研究结果强调了将未来气候预测纳入矿区管理的迫切性，特别是在基础设施设计和废物堆及受污染土壤的土壤保护措施规划方面，以保障环境安全。
CRediT作者贡献声明
冯瑶：正式分析、数据整理。沈志成：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据整理、概念构建。徐静文：数据整理。杨丽颖：可视化处理、软件应用、数据整理。罗贤平：正式分析、数据整理。孙在金：正式分析。史华登：撰写审查与编辑、资金筹集、概念构建。
致谢
本工作得到了中国国家重点技术研发计划（2022YFC3704805）和中国国家自然科学基金（42377259）的财政支持。
